cookieOptions = {...}; .無所不在的物聯網覆蓋?沒那麼容易! - 3S Market「全球智慧科技應用」市場資訊網
2016年8月29日 星期一

來源: 網絡頻道

物聯網是決定未來經濟的關鍵技術。無所不在的萬物互聯終將成為現實。然而,無所不在的物聯網覆蓋,沒那麼容易

ZigBee/6LoWPAN或IEEE 802.11ah等物聯網技術,僅適於短距離物聯網覆蓋,且無法保證可靠的網路協調控制。衛星通信的成本讓人望而卻步,能耗高,且無法抵達室內


時代在召喚,蜂窩網路瀟灑走過來

4G和5G不配物联网 不过死撑

物聯網嬌軀一震,勾搭上了已覆蓋全球的2/3/4G網路,跟他在一起可以至少少奮鬥十年

2/3/4G網路就像富一代,成熟穩重,溫柔多金,還特有安全感。它網絡覆蓋廣,分布密集,有可靠的網路協調控制,不僅能保證物聯網的安全性和有效性,且易於規劃、管理和監控。物聯網可直接接入現成的基地台裡,拎包入住,圓你一個別墅夢

為了配合物聯網之嬌軀亂顛,2/3/4G網路開始內外兼修,重振雄風。它增強覆蓋,降低功耗,減少設備複雜性,降低時延,最小化每Bit成本

畢竟隔了幾代,力不從心的時候也是有的

GSM容量有限,無法滿足大量設備同時接入。富一代很拼,它減小信令開銷,控制過載,收緊資源粒度,擴大覆蓋範圍,但是,這終究只是權宜之計,如補充雄性荷爾蒙,不是面向未來的根本之路,日子還長呢。GSM的功耗和接入時延讓物聯網領悟到了初夜的遺憾

至於3G(UMTS),工作頻段更高,覆蓋範圍小,室內覆蓋差,同時,UMTS模塊比GSM模塊貴的多。Pass!


希望在LTE上?

夢寐易忘,初心難改

LTE是為數據洪流而設計,一開始並沒有考慮物聯網需求

講真,每次聽說LTE要熊抱物聯網,我就覺得它在死撐

LTE網路的特點是:設備少、流量大。少量的設備較之於海量的數據流量,信令流量幾乎可以忽略不計

物聯網的特點是:設備多、流量小。海量的設備較之於零星的數據包,信令流量大爆發,引起網路癱瘓也不是不可能的。

與物聯網在一起的LTE面對許多現實的挑戰,包括控制開銷、能效、覆蓋增強、魯棒性、安全和可擴展性等。

最擔心的是,物聯網業務和傳統語音、數據業務共存,當大規模物聯網設備接入時,如何避免對傳統業務的影響?

LTE的隨機接入過程(RACH)首先被擺上台面。

當UE(手機)要和基站(eNodeB)建立數據連接時,為了和網路建立同步,由UE觸發隨機接入過程。RACH由一系列時-頻資源組成,稱為RA時隙。UE在RA時隙裡,使用前導序列,向eNodeB發送接入請求。

LTE隨機接入過程有兩種類型:非競爭的隨機接入和競爭的隨機接入。每個LTE小區有64個前導序列,分別用於非競爭和競爭的隨機接入。

非競爭的隨機接入由網路控制,能避免衝突,減小接入時延,保障接入成功率,比如在切換場景中。這不影響物聯網業務。

影響物聯網業務的是基於競爭的隨機接入過程。


4G和5G不配物联网 不过死撑
    
        (1) 前導序列傳輸(Message1)
  (2) 隨機接入響應(Message2)
  (3) Message3發送 (RRC Connection Request)
  (4) 衝突解決消息(Message4)

在基於競爭的隨機接入過程中,會發生兩次衝突。

第一次衝突
Message 1:UE隨機發送前導序列,請求接入。由於前導序列正交,同一RA時隙允許多個UE使用不同的前導序列。在這種情況下, eNodeB可解碼請求

如果兩個或兩個以上的UE,使用相同的前導序列,衝突就會發生,導致eNodeB無法檢測到請求

當然,即使是多台UE使用相同的前導序列,因為接收訊號強度不同,eNodeB也可能能檢測到請求。但是,這會導致eNodeB向多個UE,發送相同的Message2(隨機接入響應),從而將在Message 3處引發第二次衝突

第二次衝突
如果不同的UE收到相同的Message2,那麼它們會獲得相同的上行資源,同時發送Message3,此時,第二次衝突發生

隨機接入過程成為LTE熊抱物聯網的第一道挑戰,因為當大量物聯網設備同時嘗試接入基地台時(比如發生地震時,某地區的所有地震監測器同時發出告警),會出現信令尖峰,從而引起PRACH過載,接入競爭可能性增加,接入時延和接入失敗率上升。

儘管,為了減小PRACH負荷,我們可以在每一幀裡增加接入調度,不過,這會減少數據傳輸資源,導致上行信道數據傳輸容量吃緊。

還有,LTE幀中分配RA時隙有限。同時,PRACH前導序列採用的Zadoff -Chu序列處理,受限於物聯網設備的計算能力。

總之,LTE難以應付大規模物聯網設備接入,其引發的接入時延和接入失敗問題,會影響傳統數據(和語音)業務,當然,這本身也會影響物聯網業務。

魚和熊掌不能兼得 解決的辦法也是有的
比如對人和物的接入請求進行分離,主要包括3種:強制分離機制,軟分離機制和混合分離機制。強制分離將人和物的接入請求完美隔離。軟分離是指人和物共享資源池,但具有不同的接入可能性。混合分離是前面兩者的混合。

比如Fast Adaptive Slotted Aloha技術,利用連續空閒或衝突時隙,來估算網路中激活的物聯網設備數量(網路狀態),並迅速更新物聯網設備的傳輸可能性,從而減小接入時延。

比如分簇機制,在某個小區內隨機分布著物聯網設備,將物聯網設備分成多個簇,每一個簇裡選出一個協調器(Coordinator),這個協調器是簇中唯一和基地台直接通信的設備,並作為簇內其它設備與基地台通信的中繼節點。這不但限制了同時接入基站的設備數量,而且降低了整個系統的功耗

4G和5G不配物联网 不过死撑

但是,所有的辦法「僅供研究和測試」,LTE和物聯網要水乳相融走向商用,還有很多工作要做。同時,物聯網應用場景包羅萬象,它對網路的靈活性要求更高,怎麼設計,怎麼優化,如何才能不影響營運商的傳統業務(畢竟那裡有更高的ARPU),都是擺在現實道路上難題。

那麼,5G hold得住物聯網嗎?
massive MIMO, 異構網路, 毫米波(mmWave),SDN/NFV,通常被認為5G的幾大關鍵技術。這些關鍵技術能適應物聯網需求嗎?

Massive MIMO
Massive MIMO通過在基地台側,部署多於小區終端數量的天線陣列,利用空間分集來提升頻譜效率,這一特點使基地台可以同時接受多路傳輸,看起來非常適合於大規模的物聯網設備接入。

問題是,大規模的物聯網設備接入,需要在基地台側部署多少天線?技術上能突破嗎?

異構網路
我們說未來的網路是異構網路,網路內部署很多small cells來解決網路容量需求。

然而,這是為瞭解決容量,提升網速。對於物聯網,關鍵不是網路速率,而是覆蓋,是可靠的和無所不在的連接,這和small cells解決熱點容量問題是背道而馳的。

人和物的需求場景完全不同。比如,鄉村的高速公路,是物聯網的關鍵覆蓋區域,但並不是數據流量密集區域。人與物在覆蓋上沒有一致性,這對於營運商在投資上並無經濟性可言。

即使是在物聯網設備密集區域,物聯網業務帶來的ARPU值,也遠遠低於傳統業務,如果考慮投資回報,營運商絕不願意為了物聯網部署small cells。



毫米波(mmWave)
毫米波以其寬廣的頻譜資源,向5G展示了無法抗拒的魅力。毫米波的特點是:速率快、覆蓋距離短和功耗大。這三個特點和物聯網需求完全相反,物聯網的特點是:速率低、覆蓋距離遠和功耗足夠低。

SDN/NFV
軟體定義網路(SDN)和網路功能虛擬化(NFV),將物理網路變得更抽象,利於網路資源靈活管理,和支持不同類型的業務。SDN/NFV根據不同的業務提供不同的數據流,且能動態調度已被虛擬化的網元功能,這對物聯網是極好的。

一方面,SDN可以將人與物業務分離,同時保障分離的邏輯網路的QoS,能有效利用網路資源,減輕大規模物聯網設備,接入帶來的網路問題。

另一方面,利用NFV可以根據流量需求,對網路結構進行動態管理。比如,NFV可以隨時根據流量需求,對某區域的網元進行功能「變形」,它可以是一個物聯網數據收集中心,也可以是用於擴展覆蓋的中繼,或者變回基地台,以應對臨時的接入請求高峰。

事實上,SDN/NFV讓我們看到了未來「無限容量」網路的可能。

但是,SDN/NFV將帶來網路結構顛覆性的改變,甚至是對整個產業鏈的顛覆。設備商去推動虛擬化猶如自斷手臂,左右手互搏。即使營運商,決心有多大也是個未知數。

                                                                                                                                                                   

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